談短距離無(wú)線通信技術(shù)
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摘要：在信息技術(shù)不斷發(fā)展的時(shí)代背景下，短距離無(wú)線通信技術(shù)受到了廣泛關(guān)注，配合二進(jìn)制算法和Aloha算法建立的技術(shù)方案，能有效落實(shí)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)通信協(xié)議，從而優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用效果。通過(guò)分析目前較為常見(jiàn)的短距離無(wú)線通信技術(shù)類型，從軟件設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)兩個(gè)方面分析其應(yīng)用方案，最后對(duì)功能測(cè)試提出了幾點(diǎn)建議。
關(guān)鍵詞：短距離無(wú)線通信；讀卡器；通信協(xié)議；功能測(cè)試
引言
短距離無(wú)線通信技術(shù)的應(yīng)用和推廣要基于市場(chǎng)需求和定位，配合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)建立對(duì)應(yīng)的技術(shù)規(guī)范模式，并配合認(rèn)證機(jī)制和互通測(cè)試環(huán)節(jié)，有效提高市場(chǎng)對(duì)于技術(shù)方案的認(rèn)可度，維護(hù)無(wú)線通信工作的綜合水平。
1短距離無(wú)線通信技術(shù)概述
近幾年，針對(duì)短距離無(wú)線通信技術(shù)的研究主要集中在藍(lán)牙技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、IEEE802.11、紅外技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)以及ZigBee技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等方面。
1.1藍(lán)牙技術(shù)
支持設(shè)備建立短距離通信，一般＜10m，配合相應(yīng)的設(shè)備建立無(wú)線信息交換。藍(lán)牙技術(shù)能有效建立數(shù)據(jù)和語(yǔ)言接入點(diǎn)，并且替代傳統(tǒng)的電線電纜，最大化提升固定中心信息傳遞的效率。具體技術(shù)參數(shù)如表1所示。
1.2IEEE802.11
IEEE802.11是實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備互聯(lián)的基礎(chǔ)公約類局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。其中規(guī)定由DSSS、FHSS以及紅外技術(shù)構(gòu)成基礎(chǔ)物理層，基礎(chǔ)頻段主要分為2.4GHz頻段和5GHz頻段。在技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中，會(huì)將RC4加密算法作為安全基礎(chǔ)，配合有限的密鑰管理，吞吐量為11Mb/s和54Mb/s。相較于藍(lán)牙技術(shù)，IEEE802.11的應(yīng)用范圍擴(kuò)大到室內(nèi)100m范圍、室外300m范圍[1]。其最大的優(yōu)勢(shì)就在于無(wú)需進(jìn)行布線處理，有較高的靈活性和便捷性，加之產(chǎn)品的應(yīng)用范圍廣泛，對(duì)應(yīng)的成本價(jià)格適中，因此具有一定的推廣價(jià)值。
1.3ZigBee技術(shù)
近幾年，作為低距離和低能耗的代表，ZigBee技術(shù)受到了廣泛關(guān)注，將其應(yīng)用在自動(dòng)化控制技術(shù)、傳感技術(shù)以及監(jiān)控平臺(tái)中能大大提升地理定位的合理性與及時(shí)性，技術(shù)支持的結(jié)構(gòu)主要分為數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層以及應(yīng)用編程接口，匹配市場(chǎng)和測(cè)試需求建立相應(yīng)的技術(shù)模式。
1.4紅外技術(shù)
紅外技術(shù)是一種基于紅外線建立的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信技術(shù)方案，能被廣泛應(yīng)用在小型移動(dòng)設(shè)備中，最大的優(yōu)勢(shì)就在于應(yīng)用人員無(wú)需建立頻率使用權(quán)的申請(qǐng)機(jī)制，配合紅外通信模式就能滿足數(shù)據(jù)傳輸要求，更適宜應(yīng)用在文件信息量較大與多媒體數(shù)據(jù)傳輸方面[2]。
2短距離無(wú)線通信技術(shù)應(yīng)用方案
在應(yīng)用短距離無(wú)線通信技術(shù)建立對(duì)應(yīng)運(yùn)行系統(tǒng)的過(guò)程中，為了滿足無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的基本需求，就要匹配無(wú)線通信任務(wù)建立相應(yīng)的模塊。本文以某企業(yè)井下作業(yè)使用短距離無(wú)線通信技術(shù)建立考勤定位管理為例，要結(jié)合模塊應(yīng)用需求設(shè)置對(duì)應(yīng)的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層以及應(yīng)用層，在滿足數(shù)據(jù)匯總的同時(shí)，還能有效發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢(shì)，提高數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)發(fā)送的時(shí)效性。
2.1整體框架
在設(shè)計(jì)工作中，要保證人員的相關(guān)信息都能借助標(biāo)簽處理邏輯框架（圖1）完成信息的上傳，匯總到監(jiān)控主機(jī)。在通信過(guò)程中，標(biāo)簽并不是單一化的信息接收和發(fā)送，而是要結(jié)合數(shù)據(jù)應(yīng)用要求配合輸入/輸出匹配網(wǎng)絡(luò)建立復(fù)位模式，并結(jié)合微控制器完成nRF2401A振蕩回路的處理。另外在實(shí)際作業(yè)中分析了無(wú)線電波不同頻段衰減數(shù)據(jù)。其中，頻率為150MHz，衰減為113dB/km；頻率為47MHz，衰減為9.8dB/km；頻率為900MHz，衰減為2dB/km；頻率為1700MHz，衰減為1.6dB/km；頻率為4000MHz，衰減為0.7dB/km。結(jié)合數(shù)據(jù)值可知，以數(shù)據(jù)來(lái)看頻段越高衰減越小[3]。分析無(wú)線傳輸距離，保證綜合設(shè)計(jì)框架的合理性時(shí)使用的公式為：式中，C為信道容量；B為信道寬帶；S為信號(hào)功率；N為噪聲功率。
2.2軟件設(shè)計(jì)
在軟件設(shè)計(jì)工作中，要匹配不同的收發(fā)模式，結(jié)合數(shù)據(jù)低速送入后完成高速發(fā)射處理，能在節(jié)能的基礎(chǔ)上滿足發(fā)射應(yīng)用要求和規(guī)范。本文將ShockBurstTM作為收發(fā)模式的代表，在基礎(chǔ)模式應(yīng)用基礎(chǔ)上，按照自動(dòng)處理字頭和校驗(yàn)碼分析的方式，保證數(shù)據(jù)鏈路層能滿足命令數(shù)據(jù)幀的應(yīng)用規(guī)范[4]。
2.2.1讀卡器的工作流程首先數(shù)據(jù)讀取進(jìn)行初始化設(shè)置，收到上位機(jī)的實(shí)時(shí)性指令，且指令長(zhǎng)度在3字節(jié)以上，其次進(jìn)行集中的校驗(yàn)分析，若是出現(xiàn)校驗(yàn)錯(cuò)誤或者是地址錯(cuò)誤則重新校驗(yàn)數(shù)據(jù)，再次讀取數(shù)據(jù)和標(biāo)簽，最后向上位機(jī)發(fā)送獲取的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。在整個(gè)應(yīng)用流程中，單片機(jī)配合雙通道接收模塊就能維持綜合數(shù)據(jù)處理效果，確保頻率設(shè)定參數(shù)的合理性和規(guī)范性。單片機(jī)在USART查詢時(shí)就能了解串行數(shù)據(jù)，若是顯示0則繼續(xù)等待，若是顯示1則表示上位機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)接收信息并且將指令傳輸?shù)綄?duì)應(yīng)單片機(jī)上。只有保證發(fā)射對(duì)應(yīng)的命令字或者是數(shù)據(jù)，才能滿足標(biāo)簽響應(yīng)要求[5]。
2.2.2標(biāo)簽程序基本流程在標(biāo)簽應(yīng)用過(guò)程中，初始化單片機(jī)和單通道模擬發(fā)射模式形成配合機(jī)制，有效進(jìn)行頻率處理，具體流程如下。（1）初始化設(shè)置；（2）定時(shí)器延時(shí)設(shè)置；（3）時(shí)間到則進(jìn)行單片機(jī)退出休眠處理，時(shí)間未到，則向讀卡器發(fā)送對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)請(qǐng)求，獲取讀卡器的相應(yīng)命令；（4）在獲取命令后，分析命令字的情況。若是有按鍵要求，則尋找上位機(jī)，不成功則指示燈不停閃爍，成功則響應(yīng)上位機(jī)指令后指示燈閃爍并在30s停止。若是收到廣播指令或者是單片機(jī)命令指令，則相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)信息情況要按照30s接線方式完成工作；（5）進(jìn)行電量的實(shí)時(shí)性檢測(cè)分析；（6）完成收發(fā)模式的轉(zhuǎn)換，單片機(jī)進(jìn)入休眠狀態(tài)。綜上所述，在軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，要結(jié)合單片機(jī)平臺(tái)的特點(diǎn)，發(fā)揮短距離無(wú)線通信技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，提高無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，并對(duì)讀卡器和標(biāo)簽等功能模塊進(jìn)行程序化的設(shè)計(jì)處理，維持綜合應(yīng)用效果[6]。
2.3硬件設(shè)計(jì)
在數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，利用單片機(jī)控制程序設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)提高信息處理效果。鑒于要維持特殊場(chǎng)合應(yīng)用的可靠性標(biāo)準(zhǔn)，且滿足低能耗的具體要求，在軟件設(shè)計(jì)方面，要落實(shí)相匹配的選型工作。將功耗參數(shù)、發(fā)射功率參數(shù)、接收靈敏度以及芯片成本等作為選擇依據(jù)，最終選取nRF2401A芯片。其由頻率合成器、功率從放大器以及晶振等共同組成，工作速率為1Mb/s。無(wú)線收發(fā)芯片基于Chipon’sSmartRF技術(shù)，實(shí)現(xiàn)射頻發(fā)射、射頻接收以及FSK調(diào)制解調(diào)，配置10～20個(gè)頻點(diǎn)，才能更好地完成校準(zhǔn)處理。綜上所述，配合硬件設(shè)計(jì)，要充分提高核心芯片的應(yīng)用效果，并選取匹配的電路設(shè)計(jì)模式，完成電路原理圖的分析，保證對(duì)應(yīng)工序的最優(yōu)化，發(fā)揮短距離無(wú)線通信技術(shù)的應(yīng)用效果[7-10]。
3短距離無(wú)線通信技術(shù)應(yīng)用功能測(cè)試
在完成相應(yīng)模塊分析工作后，就要結(jié)合技術(shù)要求和匹配的應(yīng)用處理方案進(jìn)行功能測(cè)試，確保能搭建更加合理的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，從而維持通信的可靠性。
3.1功能測(cè)試
結(jié)合系統(tǒng)功能的設(shè)計(jì)目標(biāo)，測(cè)試標(biāo)簽讀取功能和群呼標(biāo)簽功能。
3.1.1標(biāo)簽數(shù)據(jù)功能測(cè)試選取19個(gè)標(biāo)簽，完成卡號(hào)輸入，按照16進(jìn)制數(shù)完成標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)的初步處理，并且保證相應(yīng)的數(shù)據(jù)可以被讀卡器予以讀取分析。然后將對(duì)應(yīng)的標(biāo)簽放入讀卡器射頻技術(shù)應(yīng)用范圍內(nèi)，自動(dòng)完成卡號(hào)無(wú)線傳輸，并集中歸納在總線上完成數(shù)據(jù)的保存，在完成緩沖區(qū)管理后等待上位機(jī)指令信息（圖2）。結(jié)合數(shù)據(jù)可知，無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的基礎(chǔ)通信和功能應(yīng)用模式合理，并且大大減少了標(biāo)簽之間的數(shù)據(jù)碰撞概率，能利用再次接收完成碰撞數(shù)據(jù)的回收。
3.1.2讀卡器群呼功能測(cè)試發(fā)送群呼指令，結(jié)合指示燈閃爍情況進(jìn)行控制，30s后自動(dòng)停止，轉(zhuǎn)變?yōu)檎＿\(yùn)行狀態(tài)，說(shuō)明群呼功能有效。
3.2距離測(cè)試
在室內(nèi)和室外進(jìn)行了通信測(cè)試對(duì)比分析。室內(nèi)測(cè)試的距離為30m時(shí)，傳輸15次，成功15次；測(cè)試距離為50m時(shí)，傳輸15次，成功15次；測(cè)試距離為80m時(shí)，傳輸15次，成功15次。室外測(cè)試的距離為30m時(shí)，傳輸15次，成功15次；測(cè)試距離為70m時(shí)，傳輸15次，成功13次；測(cè)試距離為100m時(shí)，傳輸15次，成功7次。結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)可知，相較于室外，室內(nèi)的成功率更高，因此數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備在室內(nèi)完成數(shù)據(jù)傳輸更加可靠和有效。主要是因?yàn)槭彝獯嬖谳椛湫?yīng)和多徑效應(yīng)等，都會(huì)在一定程度上影響其傳輸效果[8]。
4結(jié)論
短距離無(wú)線通信技術(shù)是順應(yīng)時(shí)展趨勢(shì)的必然選擇，要想發(fā)揮其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，就要落實(shí)匹配的技術(shù)應(yīng)用方案，完善硬件處理和軟件處理平臺(tái)，打造更加合理的接口模式，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)電路應(yīng)用要求滿足低能耗環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，為通信技術(shù)可持續(xù)健康發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
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作者：姜世明 陳周天 孟琦 劉宏宇 單位：中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司